Zigbee技術(shù)介紹.ppt

1,1,Zigbee無線通信技術(shù),一、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍四、小結(jié),2,一、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介,一、Zigbee起源什么技術(shù)？在藍(lán)牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。對(duì)工業(yè)，家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測(cè)遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，而工業(yè)自動(dòng)化，對(duì)無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強(qiáng)烈，而且，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這種無線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長(zhǎng)期努力，ZigBee協(xié)議在2003年中正式問世了。,3,一、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介,實(shí)驗(yàn)證明IEEE802.15.4/ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4dB的情況下可達(dá)到10-9；達(dá)到同樣誤碼率，藍(lán)牙/802.15.1信噪比要達(dá)16dB，802.11b要達(dá)10dB，Zigbee的抗干擾性能明顯高于藍(lán)牙和WLAN技術(shù)。,4,一、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介,二、什么是Zigbee？ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位和遠(yuǎn)近信息的，也就是說蜜蜂依靠著這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信“網(wǎng)絡(luò)”，因此ZigBee的發(fā)明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來描述這種無線信息傳輸技術(shù)。,5,一、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介,三、Zigbee協(xié)議的發(fā)展歷史,1.ZigBee的前身是1998年由INTEL、IBM等產(chǎn)業(yè)巨頭發(fā)起的“HomeRFLite”技術(shù),2.2000年12月成立了工作小組起草IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月,3.2002年下半年，英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布加盟“Zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“Zigbee”的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。,4.2004年12月ZigBee1.0標(biāo)準(zhǔn)(又稱為ZigBee2004)敲定，這使得ZigBee有了自己的發(fā)展基本標(biāo)準(zhǔn)。,6,一、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介,三、Zigbee協(xié)議的發(fā)展歷史,5.2005年9月公布ZigBee1.0標(biāo)準(zhǔn)并提供下載。在這一年里，華為技術(shù)有限公司和IBM公司加入了ZigBee聯(lián)盟。但是基于該版本的應(yīng)用很少，與后面的版本也不兼容。,6.2006年12月進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)修訂，推出ZigBee1.1版(又稱為ZigBee2006)。該協(xié)議雖然命名為ZigBee1.1，但是與ZigBee1.0版是不兼容的。,7.2007年10月完成再次修訂(稱為ZigBee2007/PRO)。能夠兼容之前的ZigBee2006版本，并且加入了ZibgeePRO部分，此時(shí)ZigBee聯(lián)盟更加專注于以下三個(gè)方面：1)、家庭自動(dòng)化(HomeAutomation；HA)；2)、建筑/商業(yè)大樓自動(dòng)化(BuildingAutomation；BA)；3)、先進(jìn)抄表基礎(chǔ)建設(shè)(AdvancedMeterInfrastructure；AMI)；,7,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,一、ZigBee頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率二、Zigbee物理信道三、無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較四、zigbee技術(shù)優(yōu)勢(shì)五、Zigbee協(xié)議棧六、ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)七、ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址八、ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型九、Zigbee抗干擾能力十、ZigBee可靠鏈路,8,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,一、ZigBee頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率ZigBee無線可使用的頻段有3個(gè)，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國(guó)的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個(gè)；ZigBee在中國(guó)采用2.4G的ISM頻段，是免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的頻率，在2.4G的頻段上具有16個(gè)信道，帶寬為250K。,9,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,二、Zigbee物理信道ZigBee在2.4G的頻段上具有16個(gè)信道，從2.405GHz2.480GHz間分布，信道間隔是5M，具有很強(qiáng)的信道抗串?dāng)_能力。,10,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,三、無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較,11,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,四、zigbee技術(shù)優(yōu)勢(shì)低功耗。在低耗電待機(jī)模式下,2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作624個(gè)月,甚至更長(zhǎng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較,藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。低成本。通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10),降低了對(duì)通信控制器的要求,按預(yù)測(cè)分析,以8051的8位微控制器(MCU)測(cè)算,主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼,子節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼,而且Zigbee免協(xié)議專利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2美元。低速率。Zigbee工作在20250kbps的較低速率,分別提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。近距離。傳輸范圍一般介于10100m之間,在增加RF發(fā)射功率后,亦可增加到13km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。,12,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,短時(shí)延。Zigbee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需要310s、WiFi需要3s。高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段,2.4GHz(全球)、915MHz(美國(guó))和868MHz(歐洲)。IndustrialScientificMedical(ISM),13,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,五、Zigbee協(xié)議棧（1）TI公司開發(fā)的Z-Stack是ZigBee協(xié)議棧，并且經(jīng)過了ZigBee聯(lián)盟的認(rèn)可而為全球眾多開發(fā)商所廣泛采用（2）TI公司的Z-Stack協(xié)議棧裝載在一個(gè)基于IAR開發(fā)環(huán)境的工程里（3）Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪循機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式；如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級(jí)，逐次處理事件，這種軟件構(gòu)架可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。,14,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,五、Zigbee協(xié)議棧（4）整個(gè)Z-Stack采用分層的軟件結(jié)構(gòu)：硬件抽象層（HAL）提供各種硬件模塊的驅(qū)動(dòng)，包括定時(shí)器Timer，通用I/O口GPIO，通用異步收發(fā)傳輸器UART，模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC的應(yīng)用程序接口API，提供各種服務(wù)的擴(kuò)展集;操作系統(tǒng)抽象層OSAL實(shí)現(xiàn)了一個(gè)易用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機(jī)制。用戶可以調(diào)用OSAL提供的相關(guān)API進(jìn)行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)來實(shí)現(xiàn).（5）整個(gè)Z-stack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段,15,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,五、Zigbee協(xié)議棧,Z-stack流程圖,16,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,五、Zigbee協(xié)議棧,OSAL是協(xié)議棧的核心Z-stack的任何一個(gè)子系統(tǒng)都作為OSAL的一個(gè)任務(wù)，因此在開發(fā)應(yīng)用層的時(shí)候，必須通過創(chuàng)建OSAL任務(wù)來運(yùn)行應(yīng)用程序任何OSAL任務(wù)必須分為兩步：一是進(jìn)行任務(wù)初始化二是處理任務(wù)事件,17,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計(jì)。其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)和由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層(PHYphysicallayer)和介質(zhì)接入控制子層(MACmediumaccesscontrol)。,ZigBee的協(xié)議模型,實(shí)現(xiàn)“0”，“1”的傳輸。,即數(shù)據(jù)鏈路層：解決無線資源的競(jìng)爭(zhēng)問題;設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束。,路由，保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保證數(shù)據(jù)的完整性。,19,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,六、ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級(jí)跳”的方式來通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能；星型和族樹型網(wǎng)絡(luò)適合點(diǎn)多多點(diǎn)、距離相對(duì)較近的應(yīng)用。,星型,Mesh網(wǎng)狀網(wǎng),簇狀網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,全功能設(shè)備（FFD，Router）,精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）,20,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,通信可靠機(jī)制ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)使得競(jìng)爭(zhēng)和沖突；明晰的信道檢測(cè)；MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包必須等待接受方的確認(rèn)信息。網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)ZigBee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；ZigBee自愈功能：增加或刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。,21,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,七、ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址1個(gè)是64位的IEEE地址，通常也叫作MAC地址或者擴(kuò)展地址（Extendedaddress），另一個(gè)是16位的網(wǎng)絡(luò)地址，也叫做邏輯地址（Logicaladdress）或者短地址64位長(zhǎng)地址是全球唯一的地址，并且終身分配給設(shè)備。這個(gè)地址可由制造商設(shè)定或者在安裝的時(shí)候設(shè)置，是由IEEE來提供當(dāng)設(shè)備加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)被分配一個(gè)短地址，在其所在的網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。這個(gè)地址主要用來在網(wǎng)絡(luò)中辨識(shí)設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)包路由等一個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)設(shè)備，有一個(gè)射頻端，一個(gè)64位IEEE地址，一個(gè)16位網(wǎng)絡(luò)地址,22,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,八、ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型協(xié)調(diào)器：（1）上電啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)（例如設(shè)定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示符，選擇信道），一旦完成后相當(dāng)于路由器功能。（2）每各ZigBee網(wǎng)絡(luò)必須有一個(gè).ZigBee路由器(ZRrouter)(1)允許其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入(2)多跳路由(3)協(xié)助電池供電的子節(jié)點(diǎn)通信(4)自己作為終端節(jié)點(diǎn)應(yīng)用ZigBee終端節(jié)點(diǎn)(ZEDenddevice)（1）向路由節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)（2）沒有路由功能（3）低功耗（Zigbee的低功耗主要體現(xiàn)在這里）（4）可選擇睡眠與喚醒。（路由因不斷轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)需電源供電，終端節(jié)點(diǎn)電池供電）,23,三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍,一、適合ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型周期性數(shù)據(jù)：傳感器數(shù)據(jù)、水電氣表數(shù)據(jù)、儀器儀表數(shù)據(jù)間斷性數(shù)據(jù)工業(yè)控制命令、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制、家用電器控制反復(fù)性低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)如鼠標(biāo)鍵盤數(shù)據(jù)、操作桿的數(shù)據(jù),24,三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍,二、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)應(yīng)用醫(yī)院醫(yī)療監(jiān)護(hù)醫(yī)療儀器數(shù)據(jù)采集借助于各種傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確而且實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負(fù)擔(dān)，有助于醫(yī)生作出快速的反應(yīng)，特別是對(duì)重病和病?；颊叩谋O(jiān)護(hù)和治療。,25,四、小結(jié),ZigBee作為一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速